Из разговоров с Ангелами 344

Из разговоров с Ангелами 344

ПОЧЕМУ СВЕТИТ СОЛНЦЕ?

Четвертое состояние вещества.
Часть шестая. Почему светит солнце
Почему светит Солнце? На этот вопрос сегодня известен такой же точный ответ. Солнце светит потому, что в его недрах в результате термоядерной реакции превращения 4-х протонов (ядер атомов водорода) в одно ядро гелия остается свободная энергия ( т.к. масса ядра гелия меньше массы четырех протонов), которая излучается в виде фотонов. Фотоны в видимом диапазоне — это и есть тот солнечный свет, который мы видим.
А теперь давайте порассуждаем и представим тот путь, который прошли ученые. И заодно подумаем, что будет, когда на Солнце полностью выгорит водород? Оно обязательно погаснет? Советуем дочитать статью до конца — там высказано весьма интересное предположение.
Предположим, что Солнце сжигает самое теплотворное изо всех видов топлива — чистейший углерод, сгорающий целиком, без всякой золы. Произведем несложный подсчет. Известно, сколько тепла посылает этот «костер» на Землю. Солнце — шар, поэтому оно испускает тепло во всех направлениях равномерно. Зная размеры Земли и Солнца, нетрудно подсчитать, что для поддержания потока тепла от Солнца в нем каждую секунду должно сгорать около 12 миллиардов тонн угля! Цифра по земным масштабам огромная, но для Солнца, которое в триста с лишним тысяч раз тяжелее Земли, это количество угля невелико. И тем не менее весь этот уголь на Солнце должен был бы выгореть всего за шесть тысяч лет. А ведь данные многих наук — геологии, биологии и др. — неопровержимо свидетельствуют о том, что яркое Солнце обогревает и освещает нашу планету уже не менее нескольких миллиардов лет.
Представление, что Солнце горит за счет угля, пришлось отвергнуть. Но, может быть, существуют такие химические реакции, в которых выделяется еще больше тепла, чем при сгорании угля? Предположим, что они существуют. Но и эти реакции смогли бы продлить жизнь Солнца на тысячу, две тысячи лет, пусть даже вдвое, но никак не более.
Но если Солнце не в состоянии обеспечить само себя горючим на сколько-нибудь длительное время, то, может быть, это делает извне космическое пространство? Было высказано мнение, что на Солнце непрерывно падают метеориты. Мы уже говорили, что при подходе к Земле метеориты, вследствие торможения в земной атмосфере, часто полностью сгорают, раскаляя на своем пути воздух. Почему бы не предположить, что вокруг Солнца нет никакой атмосферы, что торможение метеоритов происходит прямо в солнечном веществе, и оно разогревается до высокой температуры?
Обратимся опять к вычислениям. Сколько метеоритов должно падать на Солнце, чтобы обеспечить его длительное горение? Расчет дает совершенно невероятную цифру: даже если вес всех метеоритов, упавших на Солнце, равен весу самого Солнца, то все равно оно светило бы лишь около миллиона лет.
Но, может быть, когда-то такое огромное количество метеоритов все же упало на Солнце, раскалило его до огромной температуры, и теперь Солнце медленно остывает? Ничего подобного! Существует много доказательств того, что Солнце и миллиард, и миллион, и тысячу лет назад светило и грело, как сегодня. Итак, терпит крах и второе предположение.
Удивительное постоянство солнечной деятельности похоронило и третье, самое заманчивое предположение о причине «горения» Солнца. Сводилось оно к следующему. По закону всемирного тяготения все тела сближаются друг с другом. Земля притягивается Солнцем и движется вокруг него. Камень притягивается Землей и падает на нее, если его выпустить из рук.
Представим, себе, что Солнце — это некий огромных размеров сосуд с газом. Молекулы этого газа, подверженные действию взаимного притяжения, несмотря на отбрасывающие их друг от друга столкновения, должны постепенно притягиваться друг к другу и сближаться. Солнце в целом тогда сжималось бы, давление газа в нем росло, а это привело бы к повышению температуры и выделению тепла.
Если считать, что за 100 лет поперечник Солнца сокращается всего на несколько километров, то этим явлением можно было бы вполне объяснить лучеиспускание Солнца. Однако с помощью астрономических приборов столь медленное сокращение  обнаружить невозможно.
Но есть «прибор», который работает куда более длительное время. Этот прибор — сама Земля. За время ее существования Солнце должно было бы сжаться в десятки раз: от размеров, во много раз больше, чем протяженность всей Солнечной системы, до современных. Такое сжатие, безусловно, отразилось бы на геологической истории Земли. Ничего подобного, однако, история Земли не знает. Ей известны крупные геологические катастрофы, в которых гибли высочайшие горы, рождались новые океаны, целые материки, но все это можно вполне объяснить деятельностью самой Земли, а не Солнца.
Итак, все три упомянутые гипотезы о причинах «горения» Солнца оказались несостоятельными. Наука, сумевшая объяснить многие сложнейшие явления на Земле,  очень долго опускала руки перед загадкой деятельности Солнца. Теперь стало ясно, что решение этой загадки надо искать не в глубинах космоса, а в недрах Солнца.
И здесь на помощь науке о сверхбольшом — астрономии — пришла наука о сверхмалом — физика атомного ядра.
ПОЧЕМУ СВЕТИТ СОЛНЦЕ?
В МИРЕ АТОМНЫХ ЯДЕР
Поговорив о строении атомов, мы совершенно не касались структуры атомных ядер, представляя их некоторыми малыми шариками, окруженными слоями электронов. Теперь нам придется немного остановиться и на строении ядра. Оно, как известно, состоит ИЗ протонов и нейтронов, причем число первых в точности равно числу электронов в оболочке нейтрального атома, а число нейтронов может значительно (в тяжелых ядрах) превосходить число протонов.
Казалось бы, все достаточно ясно и просто. Но зададим себе вопрос: а как вообще могут существовать атомные ядра? В самом деле, протоны, обладая одинаковым по знаку (положительным) зарядом, должны, отталкиваясь друг от друга, мгновенно разлететься, а нейтроны, не имея никакого электрического заряда, в этой игре сил не могут принимать никакого участия. Между тем атомные ядра существуют и не только не разлетаются на части, но довольно прочны.
Возникла мысль приписать нейтронам свойства «цемента», сплачивающего протоны в ядре. Но как это может совершаться? Поскольку нейтроны не заряжены, электрически воздействовать на отталкивающиеся друг от друга протоны они не в состоянии. Значит, здесь надо было искать какие-то новые, еще неведомые силы иной природы. И очень скоро эти силы были найдены. Они получили название ядерных. Эти силы можно описать следующим образом: любые две ядерные частицы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь третьей частицей, отличающейся от них.
Чем же обмениваются протон и нейтрон или два протона и два нейтрона? Какой-нибудь частицей, которую еще не открыли, заявляли физики, когда встал вопрос о природе ядерных сил, и не открыли именно потому, что в свободном состоянии она может появляться только тогда, когда связь между ядерными частицами рвется. В прочих же условиях эта частица делает свою полезную работу в глубинах атомных ядер. Эту частицу назвали пи-мезоном. Существуют положительные, отрицательные и нейтральные пи-мезоны. Впервые заряженные пи-мезоны были обнаружены в космических лучах в середине 20 века, и вскоре их удалось получить искусственно в лабораторных условиях, в специальных машинах-ускорителях.
Пи-мезонами и обмениваются протон и нейтрон. В атомных ядрах много протонов и нейтронов: в ядре урана их почти две с половиной сотни. Поэтому в ядрах существуют целые облака пи-мезонов, которые играют роль цемента, сплачивающего воедино враждующие друг с другом протоны. Этим и объясняется существование устойчивых атомных ядер.
Все рассказанное здесь — только, как говорят физики, модель. Ядерные силы в основном есть силы притяжения, действующие лишь на очень малых расстояниях. При образовании сложных ядер протоны и нейтроны в ядре отдают часть своей массы на взаимную связь, то есть ядерные частицы становятся легче, зато связаны крепче. Таким образом, для того чтобы разрушить ядро на составные части — протоны и нейтроны, нужно затратить энергию. Наоборот, при синтезе атомных ядер из протонов и нейтронов энергия выделяется.
Зависимость между степенью «похудания» ядерных частиц и энергией их связи в ядре дается знаменитым соотношением Эйнштейна,гласящим, что энергия связи равна произведению доли маесы пошедшей на связь, на квадрат скорости света. Последняя величина огромна, и поэтому даже ничтожное изменение массы соответствует относительно большой энергии.
Насколько же «худеют» ядерные частицы? Опыты показывают, что протон и нейтрон теряют при соединении в ядро тяжелого водорода очень небольшую часть массы — около 0,5 процента. Соответствующая этой доле их массы энергия для одного ядра невелика, но в привычных нам объемах вещества количество протонов и нейтронов колоссально (в грамме вещества содержится триллион триллионов ядерных частиц), так что суммарная энергия связи для всех этих ядер оказывается огромной. Например, энергия, соответствующая «похуданию» протона и нейтрона при их соединении в ядро, в расчете на грамм вещества составляет более 100 тысяч киловатт-часов, — эта энергия вырабатывается за целый день работы небольшой электростанции! Вот эта-то энергия связи протонов и нейтронов в ядрах и есть то, что мы называем атомной, или правильнее, ядерной энергией. Чтобы извлечь ее из ядер, нужно эти ядра создать — синтезировать.
Задача освобождения внутриядерной энергии, однако, оказалась исключительно трудной. Как известно, на первом этапе ученые, вместо того чтобы заниматься получением ядерной энергии при синтезе, научились получать энергию при расщеплении (делении) тяжелых ядер на более крепкие, более устойчивые осколки.
Но мы отвлеклись. Немного разобравшись с энергией ядра, вернемся к нашему вопросу, почему светит солнце.


ЖИЗНЬ СОЛНЦА
Уже давно известно, что самыми распространенными химическими элементами на Солнце являются водород и гелий. Собственно говоря, гелий и был открыт сначала на Земле, где его ничтожные количества, а в спектре Солнца, откуда и получил свое название «мнос» обозначает по-гречески «солнечный»). Водород и гелий… Но мы только что видели, что эти химические элементы — начальный и конечный продукты цепочки ядерных превращений, в ходе которых выделяется очень значительная энергия. Может быть, именно эти превращения и объяснят, почему Солнце «горит и не сгорает»?
Немецкий ученый Бете сделал подсчеты. Энергия, испускаемая Солнцем в виде тепла и света, известна, масса Солнца — тоже. Оставалось найти только количество протонов в веществе Солнца, энергию, выделяющуюся в каждом акте синтеза, и, наконец, вероятность этого синтеза.
Первое определить оказалось совсем несложно — примерная доля водорода в солнечном веществе и вес протона известны. С помощью ядерных реакций синтеза, возбужденных в лабораторных условиях, удалось оценить и энергию, выделяющуюся при синтезе ядер водорода в ядро гелия.
Самым сложным оказался подсчет вероятности реакций синтеза : чем энергичнее движутся протоны, то есть чем большую скорость они имеют, тем ближе они могут подходить друг к другу, тем больше вероятность их слияния. В начале мы установили, что чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы. С теми уточнениями понятия температуры, которые мы затем сделали, это положение можно применить и к движению атомных ядер, в частности протонов.
Результат подсчета показал, что цепочка превращений протонов в ядра гелия вполне может объяснить наблюдающуюся интенсивность солнечного излучения, если предположить, что внутри Солнца существуют температуры более десяти миллионов градусов. При таких температурах легкие ядра давно уже лишены своих электронных оболочек, так что солнечное вещество представляет собой не что иное, как «идеальную» плазму.
Цепочка превращений — так называемый протонно-протонный цикл — даже при такой гигантской температуре, как в недрах Солнца, ввиду относительной разреженности солнечного вещества и малой вероятности процесса синтеза протекает исключительно медленно: на один акт синтеза ядра гелия из протонов уходит около 16 миллиардов лет! Но протонов на Солнце неисчислимые полчища, и в результате каждую секунду в глубинах Солнца происходят многочисленные акты ядерного синтеза, в каждом из которых выделяется сравнительно небольшая, а в целом колоссальная, энергия, столь щедро излучаемая светилом в пространство.
Солнце непрерывно расходует солнечное «горючее» — протоны, превращая их в «золу» — ядра гелия. Что произойдет, когда будут «сожжены» все протоны? Солнце потухнет? И если так, то когда это произойдет? Расчет показывает, что протонов на Солнце так много, что при сегодняшней интенсивности его «горения» оно просуществует в виде мировой печки еще много миллиардов лет.
А потом? Быть может, Солнце остынет. Но есть и другая возможность. Оказывается, «зола» тоже может гореть : вполне вероятно новое движение но «лестнице устойчивости» — от гелия к кислороду.
Мы не будем подробно рассматривать эту цепочку ядерных превращений. Прежде всего, для начала основного ее звена три ядра гелия должны собраться в одном месте и соединиться друг с другом в ядро углерода. Поскольку это случается редко, — не забудем, что все три ядра должны иметь, кроме того, и огромные скорости, чтобы преодолеть взаимное их отталкивание, гораздо большее, чем между протонами, — вероятность первого превращения очень мала. Такое слияние требует еще большей температуры, чем в недрах Солнца, — около 100 миллионов градусов.
Но благодаря огромному количеству ядер гелия в «золе» оно все же будет осуществляться довольно часто. Как только из трех ядер гелия образовалось ядро углерода, начинается новая цепочка превращений. Ядро углерода, захватив три раза по одному протону и один раз превратив протон в нейтрон, превращается в ядро кислорода, но легкого: до обычного кислорода этому ядру не хватает одного нейтрона. Ядро легкого кислорода очень неустойчиво и, не дожидаясь недостающего нейтрона, распадается в несколько этапов. В конце концов из него образуются… углерод и гелий, с которых мы и начинали.